體育場工程鋼結構管桁架現場焊接技術

祁會祥

山西體育中心主體育場罩棚鋼結構為管桁架結構,主要包含V形支撐柱、主桁架、環桁架、次桁架、立面網格、系桿、水平支撐、馬道等,主要鋼材的材質為Q345B,局部采用 Q345GJC。

本工程現場焊接主要包括以下內容:

1)桁架上下弦對接及腹桿對接;2)鋼管相貫焊縫焊接;3)內外環支座底板與十字插板之間的T焊縫焊接;4)十字插板與V形支撐柱之間熔透焊縫的焊接。

由于本工程除馬道采用螺栓連接外,其余部位均采用焊接連接,故現場焊接工作量巨大,焊接質量十分重要,并關系到整體結構的質量和安全。

1 現場焊接特點及難點

1)本工程結構鋼材以Q345B等合金高強鋼為主,其焊接性能較好。只是隨著強度級別的增加,淬硬性和冷裂傾向會隨之增大。2)整個鋼結構用量約7 100 t,高空環境條件下對焊工操作影響較大。高空風速較大,并且貫穿于現場焊接施工全過程,尤其是對氣體保護焊的影響比較大。3)本工程為空間管桁架結構,桿件截面均為圓鋼管,節點類型為相貫節點。桿件數量眾多,焊接工作量大。4)本工程中主桁架肩部弧形段主弦桿和V形支撐柱采用了厚壁鋼管。鋼管厚度的增加一方面會加大焊縫金屬熔敷量,從而造成焊接變形及應力的增大,同時焊縫裂紋敏感性相應加大。5)本工程現場焊接主要為鋼管桁架的拼裝焊接、鋼管對接焊接等,焊接位置較為困難,不利于保證焊接質量。

2 焊接材料及焊接設備

2.1 焊接材料選用

本工程的鋼材材質主要為Q345GJC和Q345B。根據焊接方法的不同,焊材選擇見表1。

表1 焊材選擇

保護氣體為 CO2,純度 99.98%(露點不大于-40℃),焊接材料采用氫含量較低的焊材。焊接材料的選用原則與母材強度等強,焊接不同類別的鋼材時,選用與強度級別較低母材相匹配的焊材。

2.2 焊接及相關設備

現場主要焊接設備見表2。

表2 現場主要焊接設備

3 焊工資質及培訓

3.1 焊工資質

1)焊工應具有相應的合格證書,并在有效期內。2)焊工應具備全位置焊接水平。3)嚴禁無證上崗,或者低級焊高級別。

3.2 焊工培訓

1)焊工技術培訓。對所有從事本工程焊接的焊工進行技術培訓、考核,主要根據焊接節點形式、焊接方法、焊接操作及焊工位置,以達到工程所需的焊接技能水平。2)高空焊接技術培訓。由于工程結構高度很高,在高空環境下,對焊工的素質提出了更高的要求。所以還必須有針對性的進行高空焊接培訓,從而適應現場環境的需要,提高焊接質量。

4 焊接工藝

4.1 定位焊

1)應距設計焊縫端部30 mm以上,焊縫長度應為50 mm～100 mm,間距應為400 mm～600 mm。2)正式焊接開始前或正式焊接中,發現定位焊有裂紋,應徹底清除定位焊后,再進行正式焊接。3)對于焊接墊板,在構件固定端的背面定位焊。當兩個構件組對完畢,活動端無法從背面點焊,應當在坡口內定位焊,當預熱溫度達到要求時,采用定位焊順序為從坡口中間往兩端進行,以防止墊板變形。

4.2 焊接預熱、層間溫度和焊接環境

1)對于厚度大于36 mm的低合金鋼應采用焊前預熱和焊后熱處理措施,預熱及焊后熱處理的溫度應根據焊接工藝試驗評定報告確定。要平衡加熱量,使焊接變形和收縮量減少。本工程厚板焊接焊縫適用的焊接預熱溫度和層間溫度按JGJ 81-2002,GB 50205-2001和JB/T 4709-2000規定執行。2)焊接接頭兩端板厚不同時,應按厚板確定預熱溫度;焊接接頭材質不同時,按強度高、含碳量高的鋼材確定預熱溫度。3)厚板焊前預熱及層間溫度的保持優先采用電加熱器,板厚25 mm以下也可用火焰加熱器加熱,并采用專用的接觸式熱電偶測溫儀測量。4)預熱的加熱區域應在焊縫兩側,加熱寬度應各為焊件待焊處厚度的1.5倍以上,且不小于100 mm;預熱溫度可能時應在焊件反面測量,測量點應在離電弧經過前的焊接點各方向不小于75 mm處,圓管桿件對接時不能在焊件反面測量,則應根據板厚不同適當提高正面預熱溫度,以便使全板厚達到規定的預熱溫度;當用火焰加熱器時正面測量應在加熱停止后進行。5)焊接返修處的預熱溫度應高于正常預熱溫度50℃左右,預熱區域應適當加寬,以防止發生焊接裂紋。6)層間溫度范圍的最低值與預熱溫度相同,其最高值應滿足母材熱影響區不過熱的要求,焊接層間溫度低于250℃。7)預熱操作及測溫人員須經培訓,以確保規定加熱制度的準確執行。8)有焊后消氫熱處理要求時,焊件應在焊接完成后立即加熱到300℃～350℃。保溫時間根據板厚按每25 mm板厚不小于0.5 h且不大于1 h確定,達到保溫時間后用巖棉被包裹緩冷。其加熱、測溫方法和操作人員培訓要求與預熱相同。9)相對濕度80%以上,或因降雨、雪等使母材表面潮濕及大風天氣(風速大于8 m/s),不得進行露天焊接;但焊工及被焊接部分如果被充分保護且對母材采取適當處置(如加熱、去潮)時,可進行焊接。10)當采用 CO2半自動氣體保護焊時,環境風速大于2 m/s時應采用適當的擋風措施或采用抗風式焊機。

4.3 焊接順序

1)先焊主弦桿管與管之間的對接焊縫;2)再焊斜腹桿與主弦桿的相貫焊縫、腹桿與腹桿的對接焊縫;3)焊完一條后再轉入另一條焊接,同一管子的兩條焊縫不得同時焊接;4)焊接時應由中間往兩邊對稱跳焊,防止扭曲變形(見圖1)。

4.4 典型焊縫的焊接工藝

4.4.1 管—管對接

每條環焊縫由兩名焊工對稱施焊;采用多層多道焊;根部用φ 2.5 mm或φ 3.2 mm 焊條打底焊1層～2層,其他用φ 4 mm 或φ 5 mm焊條填充、蓋面。

4.4.2 相貫口焊接

相貫焊縫應對稱施焊,多層多道焊;熔透部位采用φ 2.5 mm的焊絲打底,或直接采用手工電弧焊φ 2.5 mm或φ 3.2 mm焊條打底,但要確保單面焊雙面成型,其他采用φ 4 mm或φ 5 mm焊條填充、蓋面;一個節點往往有多條相貫焊縫,焊縫集中。一條相貫焊縫焊接完畢冷卻后,再焊相鄰的相貫焊縫,以防止應力集中,減小焊接變形。焊接時,應先焊坡口大,變形大的區域,對于Y形節點,先焊A,D區,后焊C,B區,且先焊趾部再焊根部。T形節點先焊趾部,后焊側邊。

4.5 焊后處理

焊后處理包括后熱及消氫處理,后熱溫度一般為150℃～250℃,消氫溫度則是在300℃～400℃,加熱好后保溫一段時間。目的都是加速焊接中氫的擴散逸出,消氫處理比后熱處理效果更好。根據以往工程的經驗,對于一般拘束接頭可采用焊后緩冷措施,不會產生氫致延遲裂紋。

4.6 焊縫質量檢查

1)焊接過程中檢查。在施焊過程中,焊接人員應時刻注意焊縫成型質量,并做出相應調整。經常檢查焊接相關設施參數,若發現焊縫成型不夠理想應立即做出調整,并報告現場焊接負責人。

2)外觀檢驗。焊接完成后,首先清理表面的溶渣及兩側飛濺物,待焊縫冷卻到環境溫度后進行焊縫檢驗,Q345級鋼材應以焊接完成24 h后檢查結果作為驗收依據。檢驗方法按照GB 50205-2001鋼結構工程施工質量驗收規范及JGJ 81-2002建筑鋼結構焊接技術規程執行。

3)無損檢驗方案。本工程設計焊縫均要求與母材等強,焊縫質量應符合JGJ 81-2002建筑鋼結構焊接技術規程的質量標準;一級焊縫需100%進行超聲波探傷,二級焊縫20%進行超聲波探傷。

4.7 缺陷修復和矯正

1)焊縫表面缺陷超標時對氣孔、夾渣、焊瘤、余高過大等缺陷應用砂輪打磨、鏟鑿、鉆、銑等方法去除,必要時進行補焊,對焊縫尺寸不足、咬邊、弧坑未填滿等進行補焊。焊縫或母材上的裂紋:用磁粉檢查法或滲透法確定裂縫的大小,然后用碳弧氣刨刨掉裂紋,重新焊接。2)經NDT檢查的內部超標缺陷進行返修時應先確定位置,編寫返修方案并將返修方案及時上報監理。3)返修前先用砂輪和碳弧氣刨清除缺陷,缺陷為裂紋時氣刨前應在裂紋兩端鉆止裂孔,并清除裂紋兩端各50 mm長焊縫或母材。4)清除缺陷時刨槽加工成四側邊斜面角大于10°u30340X坡口,必要時用砂輪清除滲碳層,用MT,PT檢查裂紋是否清除干凈。5)補焊時應在坡口內引弧,熄弧時應填滿焊坑,多層焊的焊層之間接頭應錯開。當焊縫長度超過500 mm～800 mm時,應采用分段退焊法。6)返修部位應連續焊成,如中斷焊接時應采取后熱、保溫措施,再次焊時應用MT,PT確認無裂紋時方可焊接。7)補焊預熱溫度應比正常預熱高。根據工程節點決定優選焊接工藝,如:采用低氫焊接材料和方法,后熱處理等。補焊應用直徑不大于4.0 mm的低氫型焊條,此時提高預熱溫度50℃。8)焊縫正反面各作為一個部位,同一部位返修不宜超過兩次。9)對兩次返修仍不合格的部位應認真查找原因,重新編寫返修方案,經本單位工程技術負責人審核并報監理,審批認可方可執行。10)因焊接產生變形的構件,應用機械方法或火焰加熱法進行矯正,熱矯正溫度不應超過900℃,熱機械共用的矯正方法應避免200℃～400℃的藍脆溫度區,加熱后應緩慢冷卻至室溫,嚴禁用水急冷。11)返修焊接應填報施工記錄及返修前后無損檢測報告,作為工程驗收及存檔資料。

5 焊接作業安全注意事項

1)焊工必須持有安全操作證方可上崗。2)上崗前焊工要接受安全交底。3)焊工應穿戴好勞防用品。4)焊機接地要良好,防止觸電事故發生。5)作業前對腳手架、操作平臺等臨時設施進行檢查,確保安全可靠后方可上人作業。6)高空作業要系好安全帶,高掛低用。7)高空作業不得往下丟焊條頭等雜物。8)作業區不得有易燃、易爆物品,防止火災、爆炸發生。9)焊接完后及時關閉焊機開關,將焊鉗放在絕緣物品上或懸掛起來,不得與構件接觸。10)多人操作時,應采取有效措施防止弧光的傷害。11)焊后將焊縫表面熔渣及焊縫附近的飛濺物清除干凈,將焊條頭等雜物清除干凈,保證作業區的整潔。

[1] 張 琳,王興德.鈦管焊接施工技術[J].山西建筑,2009,35(28):138-139.